AMD FPGA的SelectMAP加載模式

一. AMD FPGA的加載模式簡介

在不帶內(nèi)置ARM核的AMD FPGA產(chǎn)品系列中，F(xiàn)PGA的程序加載方式并沒有發(fā)生大的變化，仍舊采用JTAG、Master SPI、Serial Configuration、Master BPI、Select MAP幾種加載模式，關(guān)于每種加載模式的電路圖和工作原理不再進行描述，每個產(chǎn)品系列的configuration guide中都有詳細(xì)描述，關(guān)于這部分的硬件設(shè)計和工作原理，用戶可以參考對應(yīng)的文檔如UG470、UG570等。

在不同系列的pure FPGA產(chǎn)品發(fā)展過程中，加載模式發(fā)生了一些細(xì)微變化簡述如下：

A. 自7系列產(chǎn)品開始Master SPI加載模式增加了x2、x4模式，自Ultrascale系列開始在x2、x4的基礎(chǔ)上又增加了x8模式（dual quad SPI模式）；

B. 自7系列產(chǎn)品開始不再支持AMD自有的FLASH PROM產(chǎn)品，也不再更新自有的FLASH PROM產(chǎn)品，在UG908文檔中不斷更新測試過的第三方FLASH，如Micron、Spansion、ISSI等廠商的SPI FLASH和BPI FLASH；

帶內(nèi)置ARM核的SOC產(chǎn)品中，芯片內(nèi)部集成了bootrom并且需要使用FirstBootloader來進行加載，因此其加載模式和加載流程與pure FPGA器件有區(qū)別，常見的boot mode包括JTAG模式、QSPI模式、SD Card模式、EMMC模式、NAND模式、USB模式等，詳細(xì)描述可以參考UG585和UG1085文檔中的boot and configuration章節(jié)，SOC系列產(chǎn)品的加載方式我們將在以后文章中單獨說明。

本文的寫作初衷是介紹Select MAP加載模式，因此后面的描述基本都是基于不帶內(nèi)置ARM核的FPGA來展開。

二. bit、bin和mcs文件的區(qū)別

在使用JTAG或者其他芯片來Program FPGA和FLASH時，我們最常用到的三個文件是bitstream文件、bin文件和mcs文件，最常遇到的問題是這三個文件有什么區(qū)別，在這一章節(jié)中我們不展開對文件內(nèi)部詳細(xì)數(shù)據(jù)格式的解析，主要針對這三個文件的主要差別和使用場景進行對比和描述。

在configuration userguide中，有如下描述：

bit、bin和mcs文件

我截取一個真實bitstream文件的開始部分，如下圖：

bit文件前端內(nèi)容

我們在JTAG Program FPGA的時候，使用的是bitstream文件；在Serial模式、SPIx1模式Program FLASH的時候，bin文件和mcs文件都可以使用；在SPIx4模式、SPIx8模式、BPI模式、SelectMAP模式Program FLASH的時候，使用的是MCS文件；在SelectMAP模式使用外部其他芯片（如MCU、ARM、CPU、CPLD、FPGA）Program FPGA的時候，使用的是bin文件，但是需要我們自己做bit swap。

從上面兩圖展開介紹：bitstream文件開頭部分包含工程名稱、開發(fā)工具版本號、芯片型號、時間戳、加載位寬、同步頭等信息，真正被Program進入FPGA的有效bit在同步頭和緊跟著的NOP之后；在bin文件沒有做bit swap的時候，bin文件直接從全FFFF的無效字段開始，比bitstream文件少了工程名稱、開發(fā)工具版本號、芯片型號、時間戳、加載位寬、同步頭等信息；而mcs文件通常比bitstream文件、bin文件大很多，是因為mcs文件中加入了對FLASH的操作命令以及其他一些信息，并且在多位數(shù)據(jù)位寬時，mcs文件中的有效數(shù)據(jù)部分根據(jù)加載位寬做了bit swap。

三. SelectMAP加載模式的優(yōu)缺點
什么會有場景需要使用SelectMAP加載模式？SelectMAP加載模式有哪些優(yōu)缺點呢？SelectMAP模式有如下特點：
A. 可以外供時鐘給CCLK，頻率確定；而Serial模式和Master SPI模式下FPGA自己震蕩產(chǎn)生的CCLK頻率低、頻率不精確；----優(yōu)點
B. SelectMAP模式可以支持8bit、16bit、32bit加載；----優(yōu)點
C. 在板卡上有多個FPGA芯片、MCU+FPGA、ARM+FPGA等架構(gòu)下，可以共用一個FLASH、SD卡、EMMC等存儲介質(zhì)來存儲加載文件；----優(yōu)點
D. 占用的IO數(shù)量多；----缺點
E. 需要外面一顆芯片來實現(xiàn)SelectMAP模式的加載；----缺點

綜合以上特點，SelectMAP模式在兩種應(yīng)用場景中會有優(yōu)勢：

場景一：在使用Serial模式和Master SPI模式的時候，加載數(shù)據(jù)線位寬只能是1、2、4或8，在Master Serial和Master SPI模式下CCLK時鐘由FPGA內(nèi)部震蕩產(chǎn)生，這個時鐘頻率是不準(zhǔn)確的，而且我們在產(chǎn)生bitstream的配置選項中選擇的configuration rate頻率有限；所以在期望縮短加載時間的應(yīng)用場景下，更高位寬更高CCLK頻率的SelectMAP模式可以大大縮短加載時間。

場景二：在板卡上有多個芯片時，可以共用加載文件的存儲介質(zhì)，來減少存儲介質(zhì)芯片數(shù)量。

四. SelectMAP加載的硬件和軟件設(shè)計

SelectMAP硬件設(shè)計：
在configuration userguide中給出了SelectMAP模式的硬件原理圖示例：

單片F(xiàn)PGA的SelectMAP加載

多片F(xiàn)PGA的SelectMAP加載

Select MAP模式軟件設(shè)計：
而FPGA前端負(fù)責(zé)實現(xiàn)Select MAP加載的主控器件，可以是MCU、CPLD、ARM、FPGA等，只需要按照如下時序?qū)in文件中的有效內(nèi)容做bit swap后寫入到FPGA即可。
以8bit SelectMAP模式為例：

連續(xù)數(shù)據(jù)loading SelectMAP模式

不連續(xù)數(shù)據(jù)loading SelectMAP模式

需要說明的是在SelectMAP模式中的bit swap，需要根據(jù)數(shù)據(jù)線位寬在主控器件中實現(xiàn)如下bit swap：

SelectMAP模式bit swap

如果前端主控器件是MCU、ARM、CPU，可以參考AMD官方參考設(shè)計XAPP583，C代碼在XAPP583中可以獲得；如果前端主控器件是CPLD或者FPGA，作者曾經(jīng)寫Verilog代碼實現(xiàn)過一片小FPGA做主控、通過Select MAP模式加載多片F(xiàn)PGA，歡迎咨詢作者本人。

審核編輯：湯梓紅